带隙基准电路及控制方法与流程

1.本发明涉及供电技术领域，尤其涉及一种带隙基准电路及控制方法。


背景技术：

2.带隙基准电压源是模拟集成电路中不可缺少的组成部分，在锂电池保护芯片、led驱动芯片、线性稳压器(ldo)、电源管理芯片、模/数转换器(adc)、数/模转换器(dac)、动态存储器(dram)、flash存储器等集成电路设计中，起着至关重要的作用。
3.图1为现有技术中带隙基准电压源的电路图，如图1所示，现有技术中带隙基准电压源采用双极型晶体管(bjt)的发射极-基极电压的负温特性来构建零温的带隙基准，即采用两个双极型晶体管使其偏置在不同电流密度下，通过两个晶体管的基极-发射极电压差值产生正温电流，让正温电流流过一定数量的电阻产生正温电压，将该正温电压与双极型晶体管的基极-发射极电压(负温电压)叠加，从而得到与温度无关的基准电压。
4.现有技术中带隙基准电路采用的是双极型晶体管，工作电流较大，功耗高，同时双极型晶体管基极会有电流流过，也带来额外损耗。


技术实现要素：

5.本发明意在提供一种带隙基准电路及控制方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。
6.第一个方面，本发明实施例提供一种带隙基准电路，所述带隙基准电路包括：恒流电源模块和补偿模块，所述恒流电源模块至少包括启动单元和电流镜单元，所述补偿模块包括至少一个增强型mos管和至少一个耗尽型mos管，增强型mos管和耗尽型mos管串联，所述启动单元和所述电流镜单元相连，所述电流镜单元中的pmos管mp5的源极连接预设电压；
7.pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一增强型mos管的漏极相连，所述第一增强型mos管的源极与第二耗尽型mos管的漏极相连；
8.或pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一耗尽型mos管的漏极相连，所述第一耗尽型mos管的源极与第二增强型mos管的漏极相连。
9.可选地，所述补偿模块包括一个增强型nmos管和多个耗尽型nmos管，
10.pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一耗尽型nmos管的漏极相连，所述第一耗尽型nmos管的源极与第二增强型nmos管的漏极相连，第二增强型nmos管的源极与第三耗尽型nmos管的漏极相连，直至串联连接到第n耗尽型nmos管，其中，n为大于0的自然数。
11.可选地，第三耗尽型nmos管的源极和第四耗尽型nmos管的漏极串联，
12.第四耗尽型nmos管的源极和第五耗尽型nmos管的漏极串联，
13.第五耗尽型nmos管的源极和第六耗尽型nmos管的漏极串联，
14.第六耗尽型nmos管的源极和第七耗尽型nmos管的漏极串联，
15.第七耗尽型nmos管的源极和第八耗尽型nmos管的漏极串联，
16.第八耗尽型nmos管的源极和第九耗尽型nmos管的漏极串联，
17.第九耗尽型nmos管的源极和第十耗尽型nmos管的漏极串联，
18.第十耗尽型nmos管的源极和第十一耗尽型nmos管的漏极串联，
19.第十一nmos管m11(耗尽型)nmos管的源极接地。
20.可选地，所述补偿模块包括一个耗尽型nmos管和多个增强型nmos管，
21.pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一增强型nmos管的漏极相连，所述第一增强型nmos管的源极与第二耗尽型nmos管的漏极相连，第二耗尽型nmos管的源极与第三增强型nmos管的漏极相连，直至串联连接到第m增强型nmos管，其中，m为大于0的自然数。
22.可选地，所述补偿模块包括一个增强型pmos管和多个耗尽型pmos管，
23.pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一耗尽型pmos管的漏极相连，所述第一耗尽型pmos管的源极与第二增强型pmos管的漏极相连，第二增强型pmos管的源极与第三耗尽型pmos管的漏极相连，直至串联连接到第x耗尽型pmos管，其中，x为大于0的自然数。
24.可选地，所述补偿模块包括一个耗尽型pmos管和多个增强型pmos管，
25.pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一增强型pmos管的漏极相连，所述第一增强型pmos管的源极与第二耗尽型pmos管的漏极相连，第二耗尽型pmos管的源极与第三增强型pmos管的漏极相连，直至串联连接到第y增强型pmos管，其中，y为大于0的自然数。
26.可选地，所述电流镜单元包括mos管mp1、mos管mp2、mos管mn1、mos管mn2、mos管mp3、mos管mp5，且mos管mp1和mos管mp2为电流镜结构，mos管mn1和mos管mn2为电流镜结构，mos管mp3和mos管mp5为电流镜结构；
27.所述启动单元包括mos管mp3、mos管mn3、mos管mn4、mos管mn5、mos管mp4、mos管mn6和mos管mn7。
28.可选地，所述增强型mos管的串联支路或所述耗尽型mos管的串联支路上并联保险丝。
29.可选地，所述补偿模块包括一个耗尽型nmos管和一个增强型nmos管，或二个耗尽型nmos管和一个增强型nmos管。
30.第二个方面，本发明实施例提供一种带隙基准电路的控制方法，所述控制方法包括：
31.获取耗尽型mos管栅源电压的负温电压值和增强型mos管栅源电压；
32.根据所述负温电压值和栅源电压的差值，确定正温度系数电压；
33.根据所述正温度系数电压和增强型mos管的线性区电阻，确定正温电流；
34.根据所述正温电流和增强型mos管的线性区电阻，确定正温电压；
35.根据所述正温电压和耗尽型mos管栅源电压负温电压，调整比例系数，以使电压零温度系数小于预设值。
36.本发明实施例包括以下优点：
37.本发明实施例提供的带隙基准电路及控制方法，该带隙基准电路包括：带隙基准电路包括：恒流电源模块和补偿模块，恒流电源模块至少包括启动单元和电流镜单元，补偿模块包括至少一个增强型mos管和至少一个耗尽型mos管，增强型mos管和耗尽型mos管串联，启动单元和电流镜单元相连，电流镜单元中的pmos管mp5的源极连接预设电压；pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一增强型mos管的漏极相连，第一增强型mos管的源极与第二耗尽型mos管的漏极相连；或pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一耗尽型mos管的漏极相
连，第一耗尽型mos管的源极与第二增强型mos管的漏极相连，解决了现有采用bjt管的发射极-基极电压的负温特性构建零温的带隙基准存在电路功耗大、电路复杂的问题，达到了实现电压零温的同时降低功耗和减小电路面积的效果。
附图说明
38.图1是现有技术中传统带隙基准电压源电路示意图；
39.图2是本发明实施例的一种带隙基准电路连接示意图；
40.图3是本发明实施例的一种耗尽型nmos管和增强型nmos管串联支路的电路示意图；
41.图4是本发明又一实施例的耗尽型nmos管和增强型nmos管串联支路的电路图；
42.图5是本发明的另一个实施例的耗尽型nmos管和增强型nmos管串联支路的电路图；
43.图6是本发明的一个实施例的耗尽型pmos管和增强型pmos管串联支路的电路图；
44.图7是本发明的又一个实施例的耗尽型pmos管和增强型pmos管串联支路的电路图。
具体实施方式
45.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
46.参照图2，示出了本发明实施例的一种带隙基准电路连接示意图，该带隙基准电路包括：恒流电源模块和补偿模块，恒流电源模块至少包括启动单元和电流镜单元，补偿模块包括至少一个增强型mos管和至少一个耗尽型mos管，增强型mos管和耗尽型mos管串联，启动单元和电流镜单元相连，电流镜单元中的pmos管mp5的源极连接预设电压即vdd；
47.pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一增强型mos管的漏极相连，第一增强型mos管的源极与第二耗尽型mos管的漏极相连；
48.或pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一耗尽型mos管的漏极相连，第一耗尽型mos管的源极与第二增强型mos管的漏极相连。
49.具体地，本发明实施例提供一种带隙基准电路，包括一组恒流电源(constant gm current source)即恒流电源模块，该恒流电源模块不会随着电压进行变化，恒流电源模块包括启动单元和电流镜单元，所述启动单元和所述电流镜单元相连，电流镜单元包括mos管mp1、mos管mp2、mos管mn1、mos管mn2、mos管mp3、mos管mp5，且mos管mp1和mos管mp2为电流镜结构，mos管mn1和mos管mn2为电流镜结构，mos管mp3和mos管mp5为电流镜结构；
50.启动单元包括mos管mp3、mos管mn3、mos管mn4、mos管mn5、mos管mp4、mos管mn6和mos管mn7。
51.补偿模块包括至少一个增强型mos管和至少一个耗尽型mos管，增强型mos管和耗尽型mos管串联，示例性地，该补偿模块可以包括一个增强型mos管和多个耗尽型mos管，或者，可以包括一个耗尽型mos管和多个增强型mos管，在本发明实施例中，多个是指两个及两个以上，mos管可以是nmos管或pmos管，在此不做具体限定。
52.作为一种可选地实施方式，补偿模块可以包括一个耗尽型mos管和多个增强型mos
管，pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一增强型mos管的漏极相连，所述第一增强型mos管的源极与第二耗尽型mos管的漏极相连，第二耗尽型mos管的源极与第三耗尽型mos管的漏极相连，按照这种方式，与多个耗尽型mos管串联相连；
53.作为另一种可选地实施方式，包括一个增强型mos管和多个耗尽型mos管，pmos管mp5的漏极与所述补偿模块中的第一耗尽型mos管的漏极相连，所述第一耗尽型mos管的源极与第二增强型mos管的漏极相连，第二增强型mos管的源极与第三增强型mos管的漏极相连，按照这种方式，与多个增强型mos管串联相连。
54.通过增加增强型mos管串联耗尽型mos管组成的晶体管组给恒流电源模块进行补偿。
55.如图4所示，本发明实施例的耗尽型nmos管和增强型nmos管串联支路，由一颗增强型nmos管(m2)串联多颗耗尽型nmos管(m1、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11)构成，叠加nmos管栅源电压vgs，调整比例系数，实现电压零温度系数。
56.具体地，补偿模块包括一个增强型nmos管和多个耗尽型nmos管，
57.pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一耗尽型nmos管的漏极相连，第一耗尽型nmos管的源极与第二增强型nmos管的漏极相连，第二增强型nmos管的源极与第三耗尽型nmos管的漏极相连，直至串联连接到第n耗尽型nmos管，其中，n为大于0的自然数。
58.具体地，第三耗尽型nmos管的源极和第四耗尽型nmos管的漏极串联，
59.第四耗尽型nmos管的源极和第五耗尽型nmos管的漏极串联，
60.第五耗尽型nmos管的源极和第六耗尽型nmos管的漏极串联，
61.第六耗尽型nmos管的源极和第七耗尽型nmos管的漏极串联，
62.第七耗尽型nmos管的源极和第八耗尽型nmos管的漏极串联，
63.第八耗尽型nmos管的源极和第九耗尽型nmos管的漏极串联，
64.第九耗尽型nmos管的源极和第十耗尽型nmos管的漏极串联，
65.第十耗尽型nmos管的源极和第十一耗尽型nmos管的漏极串联，
66.第十一耗尽型nmos管的源极接地。
67.在图4中，恒流电源的mp5漏极相连第一nmos管m1(耗尽型)的漏极，第一nmos管m1(耗尽型)的源极与第二nmos管m2(增强型)的漏极串联，第二nmos管m2(增强型)的源极和第三nmos管m3(耗尽型)的漏极串联，第三nmos管m3(耗尽型)的源极和第四nmos管m4(耗尽型)的漏极串联，第四nmos管m4(耗尽型)的源极和第五nmos管m5(耗尽型)的漏极串联，第五nmos管m5(耗尽型)的源极和第六nmos管m6(耗尽型)的漏极串联，第六nmos管m6(耗尽型)的源极和第七nmos管m7(耗尽型)的漏极串联，第七nmos管m7(耗尽型)的源极和第八nmos管m8(耗尽型)的漏极串联，第八nmos管m8(耗尽型)的源极和第九nmos管m9(耗尽型)的漏极串联，第九nmos管m9(耗尽型)的源极和第十nmos管m10(耗尽型)的漏极串联，第十nmos管m10(耗尽型)的源极和第十一nmos管m11(耗尽型)的漏极串联，第十一nmos管m11(耗尽型)nmos管的源极接地，将电流转换为电压，实现增强型nmos管产生的正温度系数电压与耗尽型)nmos管具有负温度系数的栅源电压叠加补偿，使输出叠加后的零温度系数电压。
68.如图5所所示，补偿模块包括一个耗尽型nmos管和多个增强型nmos管，pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一增强型nmos管的漏极相连，第一增强型nmos管的源极与第二耗尽型nmos管的漏极相连，第二耗尽型nmos管的源极与第三增强型nmos管的漏极相连，直至
串联连接到第m增强型nmos管，其中，m为大于0的自然数。
69.也即是本发明实施例中提供耗尽型nmos管和增强型nmos管串联支路，由一颗耗尽型nmos管(m2)串联多颗增强型nmos管(m1、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11)构成，叠加nmos管栅源电压vgs，调整比例系数，实现电压零温度系数。
70.如图6所示，可选地，补偿模块包括一个增强型pmos管和多个耗尽型pmos管，
71.pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一耗尽型pmos管的漏极相连，第一耗尽型pmos管的源极与第二增强型pmos管的漏极相连，第二增强型pmos管的源极与第三耗尽型pmos管的漏极相连，直至串联连接到第x耗尽型pmos管，其中，x为大于0的自然数。
72.具体地，在仅有耗尽型pmos管的工艺之下，本发明实施例提供耗尽型pmos管和增强型pmos管串联支路，由一颗增强型pmos管(m2)串联多颗耗尽型pmos管(m1、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11)构成，叠加pmos管栅源电压vgs，调整比例系数，也可以实现电压零温度系数。
73.如图7所示，补偿模块包括一个耗尽型pmos管和多个增强型pmos管，pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一增强型pmos管的漏极相连，第一增强型pmos管的源极与第二耗尽型pmos管的漏极相连，第二耗尽型pmos管的源极与第三增强型pmos管的漏极相连，直至串联连接到第y增强型pmos管，其中，y为大于0的自然数。
74.具体地，在仅有耗尽型pmos管的工艺之下，本发明实施例提供的耗尽型pmos管和增强型pmos管串联支路，由一颗耗尽型pmos管(m2)串联多颗增强型pmos管(m1、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11)构成，叠加pmos管栅源电压vgs，调整比例系数，同样也可以实现电压零温度系数。
75.可选地，增强型mos管的串联支路或耗尽型mos管的串联支路上并联保险丝。
76.本发明实施例还提供了一种简单的熔丝修调方式，利用耗尽型nmos管和增强型nmos管串联支路上仅需要设计二元式的nmos管的尺寸，即可轻易用激光或通电方式将熔丝烧断，可轻易完成参考电压修调。
77.可选地，补偿模块包括一个耗尽型nmos管和一个增强型nmos管，或二个耗尽型nmos管和一个增强型nmos管。
78.如图3所示，本发明实施例的带隙基准电路因功耗低、电路简单，还可只用一颗或二颗耗尽型nmos管和一颗增强型nmos管串联支路即可完成，如此被广泛应用于锂电池保护芯片、led驱动芯片dc-dc转换器、数模转换器和模数转换器等器件中，实用性强。
79.本发明实施例还提供一种基于上述带隙基准电路的控制方法，控制方法包括：
80.获取耗尽型mos管栅源电压的负温电压值和增强型mos管栅源电压；
81.根据负温电压值和栅源电压的差值，确定正温度系数电压；
82.根据正温度系数电压和增强型mos管的线性区电阻，确定正温电流；
83.根据正温电流和增强型mos管的线性区电阻，确定正温电压；
84.根据正温电压和耗尽型mos管栅源电压负温电压，调整比例系数，以使电压零温度系数小于预设值。
85.具体地，如图2所示的电路图，当mn1、mn2、mp1、mp2、mp5的支路上电流过低或为0时mp3亦会进入截止区，如此会使mn6的栅极电压降至0v而使mn6截止，进而使mn7的栅极电压升高进入阈值区，因此就可以拉低mp1与mp2的栅极电压进入阈值区。一旦mp1与mp2的栅极
电压进入阈值区后，mp3亦会进入阈值区让启动电路不再重新启动，恒流源电路电流电压特性可表示为：
[0086][0087]
其中，i0表示反向饱和电流，ξ表示非理想因子，大于1，
[0088]vgs
表示mos管栅源电压，vt表示热电压，vt＝kt/q，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量。
[0089]
由克西荷夫电压定律mn1、mn2为两对电流镜结构，可列出:
[0090]vgs1
＝v
gs2
+i
d2
×
r1………
(2)
[0091]
由最上(1)式代入(2)式，可得下列:
[0092][0093]
其中i
d1
:流经mn1的基极电流；
[0094]id2
:流经mn2的基极电流；
[0095]vt1
:表示mn1的热电压；
[0096]vt2
:表示热的电压；
[0097]
μn:电子飘移率；
[0098]cox
:氧化层电容值；
[0099]
k：玻尔兹曼常数；
[0100]
mos管长宽的比值，
[0101]
由(3)式加以整理，可得
[0102]
将(4)是两边平方,移项后得和vdd无关的电流,
[0103][0104]
但仍与温度有关，可由耗尽型mos管和增强型mos管串联支路配比一并加入而调出电压零温度系数。,
[0105]
利用漏极和栅极连接的耗尽型mos管栅源电压的负温特性，与增强型nmos管栅源电压vgs差值产生正温度系数电压，正温度系数电压除以线性区nmos管的电阻得到正温电流，正温电流乘以线性区nmos管电阻得到正温电压，叠加耗尽型nmos管栅源电压负温电压vgs，调整比例系数，实现电压零温度系数，因为不需要使用bjt，节省了大量面积，仅需增强型的nmos管和耗尽型nmos管使各支路流过的电流为亚阈值电流，功耗低，解决了现有采用bjt管的发射极-基极电压的负温特性构建零温的带隙基准存在电路功耗大、电路复杂的问题，达到了实现电压零温的同时降低功耗和减小电路面积的效果。
[0106]
本发明实施例提供的带隙基准电路及控制方法，带隙基准电路包括：带隙基准电路包括：恒流电源模块和补偿模块，恒流电源模块至少包括启动单元和电流镜单元，补偿模块包括至少一个增强型mos管和至少一个耗尽型mos管，增强型mos管和耗尽型mos管串联，启动单元和电流镜单元相连，电流镜单元中的pmos管mp5的源极连接预设电压；pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一增强型mos管的漏极相连，第一增强型mos管的源极与第二耗尽型mos管的漏极相连；或pmos管mp5的漏极与补偿模块中的第一耗尽型mos管的漏极相连，第一耗尽型mos管的源极与第二增强型mos管的漏极相连，解决了现有采用bjt管的发射极-基极电压的负温特性构建零温的带隙基准存在电路功耗大、电路复杂的问题，达到了实现电压零温的同时降低功耗和减小电路面积的效果。
[0107]
应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本技术所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。
[0108]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0109]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0110]
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0111]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0112]
在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。
[0113]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。